張?jiān)迄i 張歡歡,2 楊海健,2 王深冬

(1. 河南博聯(lián)慧綠科技集團(tuán)有限公司 鄭州 450046；2. 河南藍(lán)眼環(huán)境科學(xué)研究院有限公司 鄭州 450046)

0 引言

以“炒”為主的中式烹飪是餐飲油煙產(chǎn)生的主要來源方式[1]。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，餐飲行業(yè)的迅速增長(zhǎng)，大眾化餐飲占全國(guó)餐飲市場(chǎng)的比重提高到85%以上[2]；另一方面，由于城市人口數(shù)量激增，多層住宅和高層住宅逐漸成為城市住宅的主要形式，居民廚房的油煙排放也由分散式向集中式轉(zhuǎn)變，使得單位地域廚房的烹飪油煙成為一項(xiàng)不得忽略的大氣污染物排放源[3-4]。

1 油煙污染特征及現(xiàn)狀

食物烹飪加工過程中揮發(fā)的油脂、有機(jī)質(zhì)及其加熱過程中的產(chǎn)物統(tǒng)稱為油煙[5]，根據(jù)油煙形態(tài)一般可分為顆粒態(tài)物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)兩類[6-7]，其主要成分為THC(總碳?xì)?、VOCs(揮發(fā)性有機(jī)物)、氣味物質(zhì)和PM2.5[8]。餐飲油煙排放對(duì)城市一次有機(jī)碳細(xì)顆粒的貢獻(xiàn)可達(dá)21%，其與工業(yè)廢氣、機(jī)動(dòng)車尾氣共同構(gòu)成現(xiàn)代城市大氣污染的“三大殺手”[9-10]。餐飲油煙排放的氣態(tài)物質(zhì)主要指VOCs，可促進(jìn)大氣OH自由基、O3和二次有機(jī)氣溶膠的生成，從而導(dǎo)致光化學(xué)煙霧污染事件的發(fā)生[11]。

然而從技術(shù)層面來看，靜電沉積法凈化器使用最廣，但需定期拆卸清洗，運(yùn)維成本較高；現(xiàn)有工業(yè)用途的VOCs凈化設(shè)備購(gòu)置和使用費(fèi)用過于昂貴，不適用于餐飲油煙治理；從監(jiān)管層面來看，缺乏有效的油煙污染物濃度、凈化設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，相關(guān)部門執(zhí)法困難。單一的凈化設(shè)備和凈化單元已不能滿足更為嚴(yán)苛的油煙濃度、非甲烷總烴(NMHC)等檢測(cè)因子的要求，多種凈化方式的復(fù)合、矩陣式的組合需求更為迫切，高度集成各種凈化設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備，智能化、一體化的發(fā)展成為一種必然的趨勢(shì)。

2 基于“智慧監(jiān)管”理念的五段式一體化油煙凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本研究針對(duì)當(dāng)前餐飲油煙治理存在的污染物凈化效率低、凈化設(shè)備清洗困難、缺乏有效監(jiān)管技術(shù)等問題，基于“智慧監(jiān)管”的理念，開發(fā)出餐飲油煙五段式一體化綜合治理系統(tǒng)，包括等離子體氧化分解VOCs凈化器(BL-PDP25除味器)、“三段式ESP”顆粒物凈化器(BL-JD油煙凈化器)、凈化器自動(dòng)清洗機(jī)、油煙在線監(jiān)測(cè)儀以及云平臺(tái)智慧監(jiān)管系統(tǒng)(如圖1所示)，最終實(shí)現(xiàn)智動(dòng)除味、智動(dòng)凈化、智動(dòng)清洗、智慧監(jiān)管的功能。適用于餐廳、酒樓等餐飲業(yè)油煙，學(xué)校、醫(yī)院、工礦企事業(yè)單位食堂油煙，食品加工廠及居民區(qū)油煙的污染凈化及治理。

圖1 餐飲油煙五段式一體化綜合治理系統(tǒng)

系統(tǒng)工作流程為：在風(fēng)機(jī)的動(dòng)力作用下，油煙通過集煙罩及排煙管道被收集，首先經(jīng)過第一段的等離子體氧化分解VOCs凈化器，去除油煙中的VOCs和異味；再經(jīng)防火閥進(jìn)入“三段式ESP”顆粒物凈化器，攔截油煙中的顆粒物；最后經(jīng)過油煙在線監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)達(dá)標(biāo)后由煙囪排放。油煙在線監(jiān)測(cè)儀可對(duì)油煙排放濃度、NMHC濃度、凈化器運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳送至“智慧監(jiān)管”云平臺(tái)，為環(huán)保執(zhí)法提供直接有效且真實(shí)的油煙排放狀況。

3 五段式一體化油煙凈化系統(tǒng)設(shè)備及云平臺(tái)

3.1 第一段：等離子體氧化分解VOCs凈化器

根據(jù)河南、深圳、北京等地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非甲烷總烴(NMHC)濃度不超過10.0 mg/m3，然而調(diào)研結(jié)果顯示，95%以上的餐飲單位沒有任何針對(duì)VOCs的凈化、治理裝置或設(shè)施。為此，開發(fā)出高效凈化VOCs的等離子體凈化器。

等離子體是除固體、液體和氣體以外又一種基本物質(zhì)的存在形式，具有很高的化學(xué)活性。等離子體氧化分解VOCs凈化器內(nèi)部通過并接4～6片等離子體放電板，可以形成多個(gè)均勻放電場(chǎng)。等離子體放電板能夠在通電的情況下一直工作，具有很高的實(shí)用性，且使用周期長(zhǎng)，質(zhì)量可靠，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。該技術(shù)在常溫常壓下，對(duì)VOCs的去除效率高達(dá)60%～85%，且適應(yīng)性較強(qiáng)。等離子體氧化分解VOCs凈化器作為五段式餐飲油煙凈化系統(tǒng)的第一段，能夠第一時(shí)間對(duì)油煙中VOCs進(jìn)行去除；且管道長(zhǎng)于20 m，能夠有充分的反應(yīng)時(shí)間，使VOCs凈化完全；同時(shí)等離子體可氧化去除一部分可分解的油煙，減輕第二段顆粒物凈化器靜電場(chǎng)的壓力。

3.2 第二段： “三段式ESP”顆粒物凈化器

五段式餐飲油煙凈化系統(tǒng)的第二段為“三段式ESP”顆粒物凈化器，第一段即第一電離層屬于輝光放電方式，在迎風(fēng)面使油煙的小顆粒物凝聚并吸附；第二段即第二電離層屬于電暈放電方式，由一系列“鋸齒+鎢絲”組成，安裝在接地板中間，并通給高壓直流電，油煙氣中的微粒在通過電離器的強(qiáng)力靜電場(chǎng)時(shí)，被電離并帶有正或負(fù)電荷，主要是對(duì)顆粒物進(jìn)行再次的凝并，同時(shí)起到穩(wěn)定電場(chǎng)的作用；第三段為收集段，由多組相同的平行板組成，通以高壓直流電(極性與電離段一致，電壓減半)以形成電場(chǎng)，經(jīng)過前兩段的電離以后，油煙已經(jīng)變成了帶電物質(zhì)的顆粒性，在8 000 V的靜電作用下，帶電微粒被接地板吸引的同時(shí)也受到帶電板的驅(qū)趕，從而在極板上被收集；最后再經(jīng)過蜂窩過濾器過濾進(jìn)一步捕集未被收集的顆粒物。濾網(wǎng)收集組件同時(shí)可保證氣流平穩(wěn)分布且勻速通過，在收集組件后端設(shè)風(fēng)機(jī)為空氣流動(dòng)提供能量，確保氣體流速穩(wěn)定。

“三段式ESP”顆粒物凈化器采用獨(dú)特的雙高壓包技術(shù)，即兩個(gè)互不相干的高、低壓輸出模塊，有效優(yōu)化了供電結(jié)構(gòu)，使核心部件故障率降低至每年千分之一以下，大大提升了產(chǎn)品正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間。

3.3 第三段：顆粒物凈化器自動(dòng)清洗裝置

油煙凈化設(shè)施的有效、穩(wěn)定運(yùn)行是污染物達(dá)標(biāo)排放的前提和保證，在我國(guó)最新的2019年《餐飲油煙污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》中，增加了油煙凈化設(shè)施應(yīng)與排風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)和定期維護(hù)保養(yǎng)的要求，但人工清洗油煙凈化器導(dǎo)致急性砷化氫中毒事故時(shí)有發(fā)生[12]，因此開發(fā)可自動(dòng)清洗的裝置至關(guān)重要。

油煙凈化系統(tǒng)中第三段為凈化器自動(dòng)清洗裝置，該裝置采用高壓蒸汽微泡清洗技術(shù)，可根據(jù)凈化器自身運(yùn)行情況設(shè)置定期自動(dòng)清洗程序；基于“相似相溶”原理，采用生物酶油煙清洗劑，具有高效去除油污且廢水對(duì)環(huán)境無害的特點(diǎn)；同時(shí)該裝置具備自動(dòng)加熱功能，使清洗管內(nèi)流出的是具有一定溫度的水和清洗劑泡沫，提升清洗效果，最終實(shí)現(xiàn)高效定時(shí)免拆卸、自動(dòng)清洗去除凈化設(shè)備內(nèi)部黏附的油煙的功能，解決了因油煙殘留導(dǎo)致的去除率下降的“頑疾”，使凈化系統(tǒng)可以長(zhǎng)期高效運(yùn)行。

3.4 第四段：油煙在線監(jiān)測(cè)儀

第四段的油煙在線監(jiān)測(cè)儀可對(duì)油煙濃度和凈化器工況進(jìn)行在線監(jiān)控，有效解決了執(zhí)法部門“監(jiān)管難”的問題，減少人力，提高效率，真正實(shí)現(xiàn)油煙凈化。油煙在線監(jiān)測(cè)儀由采集器主機(jī)和油煙探頭兩部分組成，釆集器通過控制探頭采集油煙原始數(shù)據(jù)，并由采集器主機(jī)進(jìn)行綜合計(jì)算，最終得到油煙污染物濃度值，再由GPRS無線通信模塊(可選CDMA)實(shí)時(shí)在線、自動(dòng)上報(bào)至云平臺(tái)。

由于油煙成分復(fù)雜，探頭容易受污染，所以油煙在線監(jiān)測(cè)儀的探頭的設(shè)計(jì)，不僅需滿足對(duì)多種油煙成分進(jìn)行綜合分析，得到最準(zhǔn)確的油煙排放數(shù)據(jù)，而且能有效及時(shí)地自動(dòng)清潔探頭內(nèi)傳感器，使其能有效抵抗油煙污染，延長(zhǎng)探頭的使用壽命。針對(duì)餐飲業(yè)油煙排放時(shí)煙道的實(shí)際情況，以及實(shí)時(shí)采樣的要求，探頭的設(shè)計(jì)必須安裝方便，穩(wěn)定可靠。此外，探頭帶有智能檢測(cè)風(fēng)機(jī)和凈化器開關(guān)信號(hào)，采集器帶有擴(kuò)展的開關(guān)量輸入和繼電器輸出接口，可用于監(jiān)控風(fēng)機(jī)和凈化器的工作狀態(tài)，并可根據(jù)油煙濃度狀態(tài)自動(dòng)控制凈化器和風(fēng)機(jī)的開停機(jī)，從而達(dá)到自動(dòng)控制目的。

3.5 第五段：“智慧監(jiān)管”云平臺(tái)

第五段“智慧監(jiān)管”云平臺(tái)，集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采集、傳輸、存儲(chǔ)、應(yīng)用為一體，從底層向上分為污染源在線監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、云中心和智能應(yīng)用4個(gè)層次，如圖2所示。

圖2 “智慧監(jiān)管”云平臺(tái)總體框架

(1)污染源在線監(jiān)測(cè)：對(duì)油煙、非甲烷總烴污染源實(shí)時(shí)排放數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警和巡檢等指標(biāo)信息進(jìn)行在線監(jiān)控。

(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸：采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼和打包處理，使之成為能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，傳輸網(wǎng)絡(luò)將污染源在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

(3)云中心：數(shù)據(jù)包可通過公有云、私有云等途徑傳輸至數(shù)據(jù)云平臺(tái)，以云計(jì)算、虛擬化和高性能計(jì)算等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、深度挖掘和模型分析。

(4)智能應(yīng)用：經(jīng)過數(shù)據(jù)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)、分析后，對(duì)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)進(jìn)行集成，形成完整的軟件集成系統(tǒng)，在應(yīng)用層體現(xiàn)出監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)管理、運(yùn)維管理、報(bào)警管理、執(zhí)法管理、征信管理等功能，為行政主管部門等提供監(jiān)管、決策、執(zhí)法依據(jù)。

“智慧監(jiān)管”云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備云監(jiān)控、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)云分析、設(shè)備故障云報(bào)警、實(shí)時(shí)維保云派工、軟件升級(jí)云推送。管理人員可利用電腦、手機(jī)、數(shù)據(jù)中心大屏等終端監(jiān)控管理系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)況。

4 油煙凈化效果評(píng)價(jià)

參照《飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18483—2001)附錄C：油煙去除效率的測(cè)定方法中規(guī)定的安裝在油煙排煙管道中的油煙凈化設(shè)施，通過同時(shí)測(cè)定凈化前后油煙排放濃度與風(fēng)量，并按照下式計(jì)算凈化效率。

油煙去除效率：

在本次檢測(cè)中，分別在油煙凈化設(shè)備的前端、后端各裝1臺(tái)油煙濃度在線監(jiān)控儀，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。參照《河南餐飲業(yè)油煙污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 41/1604—2018)中5.2規(guī)定的污染物監(jiān)測(cè)要求，選取餐飲作業(yè)高峰期時(shí)典型油煙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，采樣次數(shù)為連續(xù)采樣3次，每次10 min。3次采樣分析結(jié)果之間，其中任何1個(gè)數(shù)據(jù)與最大值比較，若該數(shù)據(jù)小于最大值的25%，則該數(shù)據(jù)為無效值，不能參與平均值計(jì)算。

選取湯陰一中安裝點(diǎn)上午10:51—11:21時(shí)餐飲作業(yè)高峰期。采集安裝在油煙凈化設(shè)備的前端、后端的油煙在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)(油煙在線監(jiān)測(cè)儀每1 min左右監(jiān)測(cè)1次數(shù)據(jù))，見表1和圖3。

表1 湯陰一中安裝點(diǎn)餐飲作業(yè)高峰期時(shí)典型油煙數(shù)據(jù)

圖3 五段式一體化餐飲油煙凈化系統(tǒng)應(yīng)用案例

表1中數(shù)據(jù)為連續(xù)采樣3次，每次10 min，設(shè)備前端均值分別為1.548、1.176、2.021 mg/m3，3次均值為1.596 mg/m3。設(shè)備后端均值分別為0.042、0.027、0.065 mg/m3，3次均值為0.045 mg/m3，小于1 mg/m3，符合DB 41/1604—2018排放要求。

凈化設(shè)備前、后端煙道截面積相同，均為0.32 m2，前、后端風(fēng)速分別為12、16 m/s，計(jì)算得凈化效率為96.24%，大于95%，符合DB 41/1604—2018中大型餐飲服務(wù)單位油煙去除效率要求。

5 結(jié)語

五段式餐飲油煙凈化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)餐飲油煙污染物的高效去除，污染物排放滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)要求；通過自動(dòng)清洗技術(shù)，可確保凈化設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，大幅度降低凈化設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)工作量和成本；依靠在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和“智慧監(jiān)管”云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)餐飲油煙排放的遠(yuǎn)程監(jiān)控，極大的提高環(huán)保執(zhí)法的便利性，降低監(jiān)管成本。